Расчет стыковых и нахлесточных сварных соединений при осевом нагружении. Допускаемые напряжения

Исходным условием проектирования сварных соединений обычно является равнопрочность шва и соединяемых деталей изделия. Несмотря на неравномерность распределения напряжений по пери­метру шва, при расчете сварных соединений концентрацию напря­жений не учитывают, т. е. расчет условен, однако оправдан практикой эксплуатации сварных соединений.

Стыковые соединения рассчитывают только по нормальным на­пряжениям растяжения (сжатия):

a_p(c) = Q/(/s)^[a_p(c)]₉, (235)

где Q —сила, растягивающая или сжимающая соединение, задается или определяется из условия прочности соединяемых деталей; / —

Рис 269

9

1 \ *\
			1
•оII

длина шва, равная ширине соединяемых деталей (рис 269); s — толщина соединяемых деталей (полос, листов и т. д.); [<т_р(с)]₉— допускаемое напряжение растяжения (сжатия) при дуговой сварке (см. табл. П56).

Стыковое соединение деталей с накладками без сварки стыка нерационально (рис. 270).

В нахлесточных соединениях независимо от расположения валика шва по отношению к внешней силе принимают, что они работают только на срез и опасным является биссекторное сечение шва вы­сотой примерно 0,7k, где & — катет шва (см. рис 265, 266). Таким образом, расчетная площадь шва при его периметре L определяется из выражения

S_C2 = CD*L = ksm 45°L « 0,7kL.

При этом уравнение прочности шва имеет вид

т_ср = Q/S_cp = Q/(0JkL) < [T_cpJ_8f (236)

где Q — сила, растягивающая или сжимающая соединение; [т_ср]₉ — допускаемое напряжение среза для сварного шва (см. табл. П56).

Для швов силовых соединений катет делают не менее 3 мм, однако он может быть больше толщины привариваемой детали.

С уммарная длина шва L = S*/ обычно определяется из расчета на прочность. Так, на рис 265, 6L=/; на рис. 265, aL = / + Z = 2/; на рис 267 L = 2l_i + 2l₂ + 2B и т. д. Максимальная длина флан­гового шва /_тах=(50.. .60)&, а минимальная не должна быть меньше 40.. .50 мм. Учитывая технологические дефекты сварки (непровар в начале шва и образование кратера в конце шва),

иногда увеличивают длину отдельных швов 1_{ на 5... 10 мм по сравнению с тре­буемой по расчету для обе­спечения прочности и надеж­ности сварного соединения.

При соединении фланго­выми швами конструкций с несимметричными профилями сечений, например уголков, привариваемых к косынке фермы (рис 271), длины швов l_t и 1₂ принимают рав­ными произведению суммар­ной длины шва L на размер, обратно пропорциональный расстоя­ниям от фланговых швов до линии центров тяжести несимметрич­ного профиля сечения детали:

ti = L(b — C_x)/b и t₂ = LC_x/b. (237)

Допускаемые напряжения сварных швов принимают в зависи­мости от допускаемого напряжения [сг_р] основного металла кон­струкции, способа сварки и характеристики электродов (см. табл.П56). Значение допускаемого напряжения при растяжении основного ме­талла определяется по известной формуле a_p = a_T/[fi], где а_т —предел текучести основного металла (соединяемых деталей), принимаемый по табл. ПЗ; [я] == 1,3... 1,6—требуемый коэффициент запаса проч­ности низкоуглеродистой стали; [и] = 1,5... 1,7—то же, низколеги­рованной стали. Меньшие значения [п] рекомендуется принимать в малоответственных соединениях и при легких режимах работы; большие —в ответственных (краны, фермы мостов и т. д.) и при тяжелых условиях работы.

Задача 63. Рассчитать стыковой шов (см. рис. 269), соединяющий две по­лосы из: а) стали Ст2; б) стали 30. Толщиыа полос:

а) s = 8 мм, б) s = 12 мм. Сила, растягивающая соединение:

а) Q=50 кН; б) Q = H5 кН. Сварка ручная электродом: а) Э34; б) Э50.

Решение, а) 1. Определяем допускаемое напряжение растяжения соединяемых полос. Принимая для стали Ст2 а_х = 200 МПа (см. табл. ПЗ) и [л] = 1,4, получаем [a_p]=a_T/[/i]=200/l,4«140 МПа.

2. С помощью табл. П56 определяем допускаемое напряжение шва при рас- тяжении (3-й вид технологического процесса):

[а_р]_э = 0,6[а_р] =0,6-140 = 84 МПа.

3. Из уравнения прочности o_p = Q/(/s)< [а_р]₉ получаем

I^ Q/(s [а_р]_э) = 50-10*/(8.Ю-*-84• 10^е) = 74,4• 10-3 _м#

Прибавляя примерно 10 мм на возможные непровар в начале и кратер в конце шва, принимаем / = 85 мм.

Задача 64. Рассчитать лобовой шов (см. рис. 265, а), соединяющий два листа толщиной s = 8 мм, из: а) стали СтЗ, б) стали 30, если: a) Q = 100 кН,

б) Q = 120 кН. Сварка ручная электродом Э42.

Решение, а) 1. Определяем допускаемое напряжение растяжения основного металла, принимая для стали СтЗ а_х = 225 МПа (см. табл. ПЗ) и [я] = 1,45:

[а_р]=а_г/[л] =225/1,45= 155 МПа.

2. С помощью табл. П56 вычисляем допускаемое напряжение шва при срезе (2-й технологический процесс):

[т_ср]_э = 0,6 [а_р] =0,6-155 = 93 МПа.

3. Из уравнения прочности

т_ср = Q/(0,7£L) = Q/(0Jk-2l) < [т_ср]_в1

принимая & = s = 8 мм, получаем

/^ Q/(l Ak [т_СрЫ = 100-10³/(1,4-8.10-8.9,3.10^е)=95,9.10"» м.

Учитывая возможность технологических дефектов сварки, принимаем / = = 105 мм.

Задача 65. Рассчитать сварное нахлесточное соединение фланговыми швами полосы с косынкой (см. рис. 266) из стали СтЗ, если: a) Q=80 кН, б) Ь = 200 мм;

в) Q = 100 кН, fr = 300 мм. Сварка произведена электродом Э42.

Решение, а) 1. Определяем допускаемое напряжение растяжения соединяемых деталей, принимая а_х = 225 МПа (см. табл. ПЗ) и [п] = 1,45:

[а_р]=а_х/[л] =225/1,45 = 155 МПа.

2. С помощью табл. П56 вычисляем допускаемое напряжение шва при срезе:

[т_Ср]_э = 0,6[а_р]=0,6-155 = 93 МПа.

3. Из уравнения прочности при растяжении

o-p = Q/Sp = Q/(&s)<[a]_p определяем толщину полосы:

s^Q/(b [a_p]) = 80-10³/(200.Ю-³-155-10⁶) =2,58-10~³ м,

принимаем s = 3 мм.

4. Принимая катет шва k = s = 3 мм, из уравнения прочности

T_cv = Q/(0JkL)=Q/(0Jk'2l) < [т_ср]_э

определяем требуемую длину шва:

Q/(l№ [т_Ср]_э) = 80-10³/(1,4-3. Ю-³-93-10⁶) = 0,205 м.

Учитывая возможность технологических дефектов сварки, принимаем '/ = = 215 мм.

Задача 66. Определить длину фланговых швов, обеспечивающих прочность соединения равнополочного (равнобокого) уголка и косынки (см. рис. 271), если размеры поперечного сечения уголка (его профиль): а) 70X70X6, б) 50x50x4; материал—сталь СтЗ. Сварка ручная электродом Э42.

Решение, а) 1.По таблице справочника (СТ СЭВ 104—74) для равнополочного уголка профиля 70x70x6 принимаем Ь = 70мм, t = 6мм, S\_ = 813мм²,С_х = 19,3 мм,

2. Вычисляем допускаемое напряжение при растяжении основного материала, принимая а_т = 225 МПа (см. табл. ПЗ) для стали СтЗ и [п] = 1,45:

[а_р]=а_х/[я] = 225/1,45 = 155 МПа.

3. Исходя из уравнения прочности уголка на растяжение o_v = Q/S\_ ^ [о_р], определяем допускаемое значение растягивающей силы:

[Q] = KJSl.= 155-813= 126-10³ Н.

По этой силе ведем расчет шва, т. е. обеспечим равнопрочность уголка на растяжение и шва на срез.

4. С помощью табл. П56 вычисляем допускаемое напряжение шва при срезе:

[т_Ср]э = 0,б[а_р] =0,6-155 = 93 МПа.

5. Из уравнения прочности швов

T_cp==Q/(0,7A;LX[T_Cp]₃ определяем их суммарную длину, принимая k — t — Q мм:

L^q/(0Jk[т_ср]_э) = 126-10³/(0,7-6• Ю-³-93.10^е) =0,32 м.

6. По формулам (237) при Ь = 70 мм и С* = 19,3 мм определяем /_х и /₂:

l_x = L (Ь—С_Х)1Ь = 320 (70—19,3)/70 = 231 мм, к = LCxIb =320-19,3/70 = 89 мм.

Учитывая возможность технологических дефектов сварки, окончательно при­нимаем /j = 240 мм, /₂ = 100 мм.

Задача 67. Сжимающая сила q передается косынке фермы двумя неравно-полочными уголками (см. рис. 267). Определить профиль неравнополочного уголка и размеры комбинированного шва (Я, /_х, /₂), если: a) Q=390 кН; б) Q=250 кН. Материал уголка—сталь Ст2. Сварка ручная электродом Э34.

Решение, а) 1. Вычисляем допускаемое напряжение сжатия (предполагая, что длина уголков невелика и без большой погрешности можно принять [о_у] = = <р[а_с]« [а_с]) основного материала, принимая а_х = 200 МПа (см. табл. ПЗ) и [п] = 1,5:

[а_с] = а_т/[л] =200/1,5 « 133 МПа.

2. Из уравнения прочности

a_c = Q/S_c = Q/(2S_L)<[a_c] определяем требуемую площадь поперечного сечения уголка (площадь профиля): 5L^Q/(2[a_c])=390.10³/(2.l33.10⁶) = 14,7.10-⁴ м² = 14,7 см².

92. По таблице справочника (СТ СЭВ 255—76) при 5|_ = 14,7 см² подбираем неравнополочный уголок профиля 100X65X10, т. е. а=Ю0 мм, Ь — 60 мм при толщине полки £ = 10 мм и координате центра тяжести профиля С_х = 33,6 мм.

93. С помощью табл. П56 вычисляем допускаемое напряжение шва при срезе:

[_Тср[_э = 0,5 [а_с] = 0,5.133 = 66,5 МПа.

5. Принимая катет шва равным толщине полки уголка: k = t = l0 мм, по формуле (236) определяем суммарную длину шва:

q/(0Jk[t_cv]_d) =390-10³/(0,7.10³-66,5.10^е) =0,837 м.

Принимаем общую длину шва (с двух сторон косынки) L_c = 840 мм. Общая длина шва для одного уголка (с одной стороны косынки)

Z/ = 0,5L_C = 0,5-840 = 420 мм.

6. Определяем размеры В, /_ь /₂ комбинированного шва. Длину лобового шва принимаем равным ширине полки Б = а=100 мм. Тогда суммарная длина фланговых швов /_х и /₂

L = L'—5 = 420—100 = 320 мм.

По формуле (237) при Ь = а и С_х = С_у определяем /_х и /₂:

l_x = L (а—С_х)/а=320 (100—33,6)/100 = 212 мм, /₂ = LC_x/a== 320-33,6/100 =107 мм.

С некоторым округлением принимаем /_х=215 мм, /₂ = 110 мм.